融入光伏发电技术的大型船舶电力系统可行性实验研究

丛 岩，王笑虹，池华方，杨少龙

(1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026；2.大连船舶重工集团公司，辽宁 大连 116005)

0 引 言

在全球范围内节能减排要求越来越迫切的大环境下，降低大型船舶尾气排放，倡导绿色船舶，已是大势所趋[1]。将可再生能源引入大型营运船舶的能源系统，是现阶段营运船舶提高能效指数、降低污染物排放的方法之一。在新船设计能效指数（EEDI）中非碳能源的利用也已作为单独一项进行核算[2]。陆地上，对可再生能源的利用，光伏发电的应用较为成功[3]。但光伏技术应用于大型远洋船舶方面，世界各国只展开了小范围的探索和尝试。

2008年，日本邮船株式会社与新日本石油公司合作将旗下排水量为6万吨的汽车滚装船“御夫座领袖”（Auriga Leader）号进行了改装。船上安装使用的额定功率为40 kW的太阳能光伏系统采用离网输出模式，可以满足本船6.9%的照明需求或0.2%～0.3%的动力需求。2010年，当时世界上最大的全太阳能动力船 Turanor Planet Solar号在德国下水。船上安装有额定功率为93 kW的纯太阳能电力系统。该船在582天的环球航行中实现了燃油的零消耗和废气的零排放。2012年，三菱重工为商船三井建造的汽车运输船Emerald Ace号投入运营。船上装有额定功率达到160 kW的光伏发电系统。此船在靠港的时候所需的电力完全由航行时光伏存储在电池组内的电能提供，实现了港区停泊的废气零排放[4]。

国内在该领域起步较晚，但具有后发优势。2014年，武汉理工大学承担国家工业和信息化部高技术船舶科研项目而设计的峰值功率为143 kW的离并网光伏发电系统被安装到汽车运输船“中远腾飞”号上并投入运行[5-6]。同年，对上海安吉汽车物流有限公司的“安吉204”轮也进行了光伏发电系统的安装改造。

对于光伏技术在大型船舶上的应用，并网型光伏系统不需要配备成本高昂的大容量电池，只需小容量储能单元平抑输出功率的波动即可。并网逆变器输出的电能并入船舶主电网，可由综合电力管理系统在全船范围内统一调度，具有较高的能源利用效率[4-5]、可靠性和安全性。但并网型光伏系统在大型船舶上的应用，国内外鲜有报道。本文利用陆上机舱中已有的融入了并网型光伏发电系统的大型船舶电力系统平台。为适应海船环境，对系统的软、硬件进行进一步的优化设计和改造。通过实验检验光伏系统在逆变控制、最大功率点跟踪（MPPT）方法和储能器效能等方面是否适用于大型海船。检验这种由柴油发电机组和光伏并联供电的大型船舶电力系统在稳定性、可靠性、有效性、安全性和抗冲击等方面是否符合相关规定。

1 融入并网型光伏发电技术的大型船舶电力系统可行性实验

1.1 实验平台

陆上机舱实验室按中国船级社（CCS）《钢制海船入级规范》建造，机舱中系统和设备按万吨级船舶设计和建造。

在已融入了光伏发电的船舶电力系统之上做了进一步的优化设计和改造。如图1所示，光伏系统的电力送入配电板中的主汇流排，作为电源之一和船上的柴油发电机组、轴带发电机并联供电。

陆上机舱电力系统和设备基本情况如表1所示。

表1 机舱电力系统设备表Tab.1 Facilities and electric power system in engine room

船舶电网同实船一样，为交流三相三线制电力系统。电网频率为50 Hz。主配电板按实船设计分段保护，当汇流排一段发生故障，可断开分段开关以保证正常供电。如某段馈线故障会迅速跳开分段开关而减少馈线上的短路电流。

1.2 光伏发电系统的优化设计

光伏电池板采用固定安装方式[7]。在防腐蚀方面，对系统进行了防潮、防霉菌、防盐雾的三防处理。设备在防护等级、防震抗摇等级等方面符合船级社和规范的要求。系统忽略了船舶低频振动对光伏组件性能的影响[8]。光伏系统为并网型，为避免因光伏的不稳定输出造成船舶电网大幅波动，将光伏总容量设计为50 kW，小于船舶主电网容量（800 kW）的10%[9]。为补偿和平抑输出功率的小范围、频繁波动，设置了储能装置。其额定输出功率为5 kW。

为适应船舶电网容量小、负载对的电网冲击大而且频繁的特点，逆变的控制系统基于数字信号处理器（DSP）平台搭建，同时使用复杂可编程逻辑器件（CPLD）辅助控制，对其中的软件和程序进行了有针对性的优化和完善。在逆变系统的并网方式、控制策略及拓扑结构等方面做了进一步的设计和改造。系统直接控制输出电流实现并网。在调制方式上，采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制方式。设计了严密的硬件逻辑保护电路。整个系统运行更加可靠、平稳。系统具备过/欠压、过/欠频、防孤岛、过流、防反放电、过载等保护功能。

在MPPT方面，为尽量做到系统能快速准确的跟踪到最大功率点，减少在最大功率点处的振荡，采用了改进的可变步长电导增量法。当系统的运行点远离最大功率点时采用较大步长跟踪，当运行点在最大功率点附近工作时选取小步长跟踪。

光伏发电系统如图2所示。光伏电池阵列产生的直流电首先送入具有防雷功能的直流汇流箱中。经汇流箱汇成一路送入单级隔离型并网逆变器中。逆变器将直流电能转化成与电网同频、同相位的交流电，经变压器后去交流配电箱。然后，一路接入主汇流排，一路经储能变流器给储能器充电。在光伏输出功率低于设定值的情况下，储能器中的电能经变流器输出到电网中以平抑输出功率的小幅波动，实现光伏系统恒功率输出。

逆变系统如图3所示。

1.3 实验方法

考虑到实船因柴油机的磨损而导致的输出功率下降，电网消耗，因发电机原动机机型不同对系统的功率储备要求不同（装备了重油柴油的发电机，功率储备较小）以及柴油发电机的额定功率和机舱负载设备的实际情况，实验中最大负荷定为340 kW。

起动柴油发电机组，投入电网运行。起动部分负载，模拟船舶处于定速航行的状态。起动光伏发电系统，在储能器满电的情况下，将光伏发电系统并入电网，同柴油发电机并联供电。模拟船舶定速航行时，天气晴朗，光伏投入运行。

进行大负荷的突加和突减实验，模拟突发状况，船舶进出港口或通过狭窄水道等情况下的机动航行状态。检验电力系统在稳定性和可靠性方面能否满足大型海船的要求，是否符合《钢制海船入级规范》和船级社的规定。

在相同的时间、相同的环境下，对优化的可变步长电导增量法、电导增量法和恒压法之间进行切换和比较，验证最佳的MPPT方式。重点检验系统在改进的可变步长电导增量法模式下工作时直流侧的输出功率和效率。

在光伏同柴油发电机组并联供电时，将柴油发电机组从电网上解列，模拟极端情况下全船失电。对光伏系统进行孤岛实验，检验系统的保护功能是否可靠、响应是否迅速[10]。

手动调节逆变器输出，模拟因天气等外界环境变化造成的输出波动。检验储能装置能否及时响应，能否可靠、有效、稳定地工作，能否有效抑制输出功率的小幅频繁波动。

2 结果与分析

根据中国船级社《钢制海船入级规范》（2015第四分册），船舶电气设备应能在表2规定的电压和频率偏离额定值的波动情况下可靠工作。

表2 船舶电网电压和频率波动规定Tab.2 Regulations of voltage and frequency fluctuation for ship power system

2.1 大负载的突加和突减

实验中同时起动主空压机、主海水泵、压载泵等大功率设备。将总负载从170 kW突然加到最大值340 kW。观察这一过程中，光伏发电系统的工作状态和船舶电力系统电能质量的变化。表3所示为突加负载的实验过程中电网参数变化。

经观察发现，在突加负载时，电网电压在允许的范围内突然下降，但在调压器的作用下以非常短的时间（1 s内）迅速恢复正常并保持稳定。电网频率在允许的范围内突然下降，经过较短时间波动后（波动时间最大不超过4 s），迅速恢复正常并保持稳定。

表3 突加负荷电网参数变化Tab.3 Influence of sudden load incharge on power 0 grid performance

结果表明，系统在遇到突加负荷的情况时，能够快速响应，迅速恢复到正常状态。光伏发电系统持续稳定并网供电，输出50 kW的功率不变。整个电力系统工作稳定、正常。柴油发电机经短暂的波动后承担了290 kW的负荷。系统的波动范围和响应时间，调节并恢复正常的时间符合《钢制海船入级规范》和中国船级社（CCS）的要求。

在此基础上突然卸掉170 kW的负载，观察电网的波动情况和系统的运行状况。表4为突减负载的实验过程中参数变化

表4 突卸负荷电网参数变化Tab.4 Influence of sudden load discharge on power grid performance

经观察，系统在突卸负荷后，电网电压突然上升。在非常短的时间（1 s）内电网电压迅速恢复正常，然后稳定在400 V不变。电网的频率突然升高（幅度在允许范围内），经过最大不超过4 s的短暂的波动后，频率很快恢复正常并稳定在50 Hz不变。发电机组转速经过短暂的波动后恢复正常。电力系统的波动程度和波动时间符合《钢制海船入级规范》和CCS的要求。

实验表明融入了并网型光伏发电系统的船舶电力系统在遇到大负荷的突加和突卸冲击时，能够迅速响应，将频率、电压等调节到正常值并维持稳定。其稳定性符合《钢制海船入级规范》和CCS的要求。在此过程中，光伏系统持续稳定并网工作，向电网恒功率输出。负载的波动由柴油发电机组来调节。

2.2 多种MPPT方法比较

海洋环境变化剧烈、波动频繁、条件恶劣。应用于海船的光伏系统不但要有较好的光电转换效率，在MPPT方面还要具备较好的动态响应特性和平滑的稳态特性。避免在稳定性、多峰值和误跟踪等方面的问题。实验中，同时间段、同条件下在几种不同的MPPT方式中转换。通过比较发现：在经过优化的可变步长电导增量法模式下工作时，逆变器直流侧输出功率总是比在其它模式下工作的大。表明在同样条件下，改进的可变步长电导增量法在MPPT方面具有相对的优势。

2.3 孤岛效应

船舶电力系统工况恶劣。极端情况下，系统会崩溃而全船失电。孤岛实验中，能量管理系统（PMS）发出警报。同时，光伏系统逆变柜监控屏发出报警，系统切断电力输出、自动停机。这表明在遇到全船失电这样的极端情况时，PMS和并网逆变器的孤岛效应检测系统能够有效的工作。能及时的切断光伏系统的电力输出并使其停机，保护系统和避免危害的发生。

2.4 储能装置效能实验

手动多次地调节逆变器参数，但不改变光伏系统总输出功率的设定值。模拟因天气频繁突变或船舶航向变化造成的光伏输出功率的频繁小幅度波动。表5为实验过程中参数的变化。

表5 光伏及储能器输出参数变化Tab.5 Output parameters of photovoltaic system and energy accumulator

通过观察配电板及逆变柜上各个控制屏显示的参数变化，发现只要输出功率波动在储能器补偿能力范围内，光伏发电系统都会恒功率输出。如表中所提取的数据显示，光伏输出因人为原因在5 kW的范围内快速频繁变化，储能单元的输出功率随之发生改变，光伏发电系统的总输出功率维持在50 kW稳定不变。输出的波动被储能单元有效补偿。结果表明：储能装置在剧烈波动的外界环境中运行比较可靠、有效。

3 结 语

经过软、硬件的优化改造后，融入了并网型光伏发电技术的大型船舶电力系统适应大型海船环境。在受到大负荷冲击时，频率在5 s内、电压在1.5 s内能迅速恢复正常并保持稳定，船舶电力系统的波动符合要求。系统的保护功能有效，响应迅速。光伏系统能在一定程度上平抑输出波动，实现恒功率输出，系统中负载的波动由柴油发电机组承担。在MPPT方法上，经过改良后的可变步长电导增量法具有相对的优势。电力系统在稳定性和可靠性上满足《钢制海船入级规范》和CCS的技术要求。为进一步应用于实船提供了参考依据。

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